控制系统
控制系统对离散、连续或混合过程如何运作作出决策，通常确保过程在适当的参数内、安全地、以适当的速率和要求的质量内运行。控制系统帮助工厂和设施安全高效地生产高质量的产品。开环控制是当输出(决策)不反馈到控制循环时。闭环控制使用输出来影响或为下一个决策提供反馈。控制系统可以包括可编程逻辑控制器(plc)、可编程自动化控制器(pac)、嵌入式系统和边缘计算、专用控制、比例-积分-导数(PID)和高级过程控制(APC)的硬件和软件，以及分布式控制系统(DCS)、监控控制和数据采集(SCADA)和其他控制器，如工业pc (ipc)。
控制系统条款
控制你的控制系统
当今的输入/输出(I/O)不可知控制解决方案帮助工厂摆脱供应商“锁定”，为现代化项目提供更多选择和更快的投资回报。
学习目标
- 了解流程制造工厂由于运行遗留控制系统而面临的成本和挑战。
- 了解现代化控制系统的好处，除了提高操作效率。
- 了解与输入/输出(I/O)无关的系统如何提供具有成本效益的解决方案，而不需要完全拆除和替换。
今天的工艺制造工厂承受着很大的压力。这些工厂通常使用20到40年前的控制技术。在许多情况下，控制系统正在达到支持的终点，这可能会导致许多问题。
供应链问题使得为老化的控制系统寻找替换部件变得更加困难，导致交货周期延长和停机时间延长。支持通常是有限的，缺乏对遗留系统有经验的人员意味着需要很长时间等待帮助。许多安全的最佳做法自动化技术提供的效率特性要么难以与遗留控制系统连接，要么不可用。
所有这些问题都因公司办公室要求更好的绩效、更高的效率和更可持续的运营而变得更加复杂，如果没有正确的自动化技术，这些都很难实现。因此，许多工厂正在寻求现代化的控制系统，许多工厂正在寻找新的技术提供更多的选择，而不会打破预算或造成延长的操作中断(图1)。
图1:现代自动化技术，如艾默生的DeltaV分布式控制系统版本15，与传统系统相比带来了广泛的优势，提供了快速的投资回报。礼貌:爱默生
控制系统现代化的原因
现代工厂与短短10年前的普通设施有很大的不同。今天的工厂不再有经验丰富的人员，他们可以直观地诊断和管理操作和维护问题。今天的新工厂员工要有这样的经验和直觉还需要很长一段时间。
因此，成功的工厂依赖于内置在自动化中的决策支持技术。现代控制系统旨在直观地集成自动化解决方案，使工厂更安全、更可靠。如今，普适传感组件监控工厂中的每个资产，以确保其处于最佳性能。这些组件将收集到的数据发送到控制室的操作员，并提供可操作的建议，以保持流程以最佳状态运行。警报管理软件消除警报洪水，使工厂人员更安全，同时帮助他们避免环境事故。先进的过程控制(APC)有助于将最佳实践锁定到系统中，因此无论操作员的经验水平如何，机组和工厂都以最佳状态运行(图2)。
所有这些技术都有助于工厂以最高效率运行，这有助于创造竞争优势。但它们也都很难——有时是不可能的——用遗留的控制技术来实现。由于这个原因，许多工厂都在寻求现代化控制系统，以利用现代自动化提供的简单集成，但要做到这一点，他们通常必须超越传统的现代化方法，寻找更经济有效的解决方案。
图2:现代控制系统很容易利用自动化技术，这些技术现在被认为是制造业的最佳实践。礼貌:爱默生
使控制系统现代化的更好方法
操作团队知道控制系统现代化是他们在工厂面临的许多问题的答案，但许多团队面临着一个难题;具有他们想要和需要的功能的控制系统来自不同的自动化供应商，而不是他们现有的传统控制系统。更改控制系统通常意味着重新布线和更换I/O，这是一个耗时、昂贵且容易出错的过程，还会延长停机时间。面对紧张的资本支出(CAPEX)预算和对延长的生产中断的有限容忍，项目团队经常努力为他们需要的现代化构建一个业务案例。
因为它需要重新连接数千根电线和更换数十个系统柜，所以更换现有的I/O可能是昂贵、耗时和有风险的。每个致力于手动将I/O转换到新控制系统的人都不关注工厂中其他有价值的任务。参与作业的人员越少，转换所需的时间就越长，从而导致产量损失增加。
在过去，这个问题的唯一解决方案是同一控制系统制造商的增量升级，这仍然是耗时的，但不那么费时。但是这样的策略不太可能提供团队所需的所有最佳实践技术，并且在每次他们想要升级时都将工厂“锁定”给单个供应商，而不管该供应商是否提供所需的技术和支持。
今天的I/O技术为公司提供了控制系统选择的选择和灵活性，而不管遗留技术如何。今天的项目团队可以选择一个I/O不可知的接口，将新的控制系统直接连接到遗留的I/O，而不需要拆除和更换旧的线路和端子。与I/ o无关的接口可以减少停机时间和现代化的复杂性，同时还可以降低CAPEX成本。
更快的控制系统现代化意味着更少的停机时间
传统的现代化项目通常需要有许多人员的大型项目团队，在新的控制系统上线之前，将旧的I/O转换为新的I/O。通常，必须转换的终止数量有数万个，这可能需要数周或数月的手工劳动，这取决于转移团队的规模和技能。
通过使用与I/O无关的接口，项目团队可以在启动新的控制系统之前消除对遗留I/O的转换需求。相反，一个I/ o不可知的接口作为旧组件和新控制系统之间的桥梁。该团队只更换了现有的控制器和操作员界面组件，通过连接到I/ o不可知接口的通信电缆连接新的控制器。使用这种策略，项目团队可以选择现代化的规模:一个控制器接一个控制器，一个控制台接一个控制台，或者按设施区域(图3)。
一个由50个控制节点控制的20000个I/O的工厂的传统现代化可能需要几个月或几年的时间。这一过程需要数十名技术人员在数小时内追踪、更换和重新接线。
利用I/ o不可知的解决方案可以极大地缩短现代化时间。项目团队可以单独更换控制器，将遗留的I/O保留在适当位置，从而获得现代控制的所有好处，而无需进行全面检修的成本和麻烦。
图3:I/O不可知的解决方案，如Emerson的DeltaV IO。CONNECT为工艺制造商提供了一条路径，可以采用他们所选供应商的最新控制技术，而无需替换现有的I/O。礼貌:爱默生
转移成本以缓解预算压力
没有一个项目团队有无限的预算，但随着工厂面临越来越大的提高产量、效率和可持续性的压力，今天的项目资源往往比过去更加有限。团队有来自相同资金的其他关键项目，花在现代化上的每一美元都是无法用于其他计划的一美元。
许多项目团队正在寻找与I/ o无关的解决方案，为他们提供完成现代化所需的财政灵活性，而不影响其他关键计划。团队不需要花费大量的资本支出(CapEx)来提取和替换旧的I/O，而是将I/O保留在原地，从而从项目预算中消除该成本。
由于与I/O无关的接口使团队能够按照自己的时间表切换I/O，因此他们可以选择在切换之后，在工厂运行时切换遗留的I/O。这种策略将I/O更改转移到运营预算中，并且只要完成转换，它就可以成为预算的一部分。
对控制系统进行现代化改造本身往往是一种省钱的选择。支持遗留系统的成本通常很高。很少有公司拥有一批拥有数十年控制技术经验的人员，即使有这些专家，他们通常也很昂贵，而且要经过长时间的等待才能到达，如果一个单位或工厂因为等待技术人员的到来而停机，这是一个昂贵的建议。
采用现代化的控制系统可使工厂获得更广泛的可用支持人员。无论工厂是雇佣接受过最新控制技术培训的新技术人员，还是依赖值得信赖的自动化供应商的顾问支持，现代系统的支持通常更容易获得，效率更高，成本更低。
假设一个企业在整个舰队中有数十万个I/O点。使整个系统现代化将是一项艰巨的任务，即使有必要也不太可能开始。在这种情况下，实现与I/O无关的解决方案可以让组织将所有设备转移到新的、高效和有效的控制技术上，同时保留需要替换的最昂贵的元素——I/O。
作为运营预算的一部分，组织不仅在未来5到10年逐步过渡I/O而获得财务利益，而且还获得了新控制技术的优势，以获得更好的性能和更高的吞吐量，使其更容易满足更高的基准并产生快速的投资回报。
消除控制系统障碍
在预算紧张、人员短缺和持续制造需求不断增加的世界里，现代化项目似乎遥不可及。有时，似乎保持遗留系统运行或稍微更新是唯一的解决方案。
事实上，与I/ o无关的接口正在改变控制系统现代化的范式。如今的工厂可以在保留现有I/O的情况下，从警报管理、先进过程控制、预测性维护等最佳实践技术中获益。这有助于减少大量与现代化相关的成本、时间和风险。
亚伦工作人员全球现代化总监在爱默生．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．
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关键词:控制系统，I/O系统
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什么步骤你打算使工厂现代化吗?
控制系统常见问题
控制系统的例子有哪些?
有许多不同类型的控制系统，但一些例子包括:
- 反馈控制系统:这些系统使用来自传感器或过程变量的反馈来调整控制输出，以保持所需的设定点或条件。
- 前馈控制系统:这些系统使用预测或测量的扰动变量来调整控制输出，以防止扰动影响过程变量。
- 比例-积分-导数(PID)控制系统:这些系统使用比例，积分和导数控制动作的组合来实现过程变量的精确控制。
- 逻辑控制系统:这些系统使用布尔逻辑或其他逻辑操作来做出决策和控制过程。例如交通灯、工业机器人和自动洗衣机。
- 混合控制系统:这些系统结合了多种类型的控制系统，以实现所需的控制性能。
- 网络控制系统:这些系统使用网络，如以太网或无线，来连接设备和交换控制信息。这些类型的控制系统用于分布式控制系统，如智能建筑、电网和交通系统。
控制系统的主要部分是什么?
控制系统通常由几个主要部分组成:
- 传感器:这些设备测量过程变量，如温度、位置或速度，并将其转换为可由控制系统处理的电信号。
- 执行器:这些设备产生物理输出，如运动或力，以响应控制信号。它们用于控制过程变量。
- 控制器:这是处理传感器输入并生成控制输出的设备或算法。它将测量的过程变量与所需的设定点进行比较，并计算误差信号。基于此误差信号，控制器产生控制输出到执行器。
- 传输:这是传感器、控制器和执行器之间的通信链路。它可以是电缆、无线链路或其他类型的通信介质。
- 用户界面:这是控制系统的可选部分，允许操作员监视、控制和配置系统。
控制装置的两种类型是什么?
控制装置有几种类型，但主要有两种:
- 离散控制设备:这些设备用于控制开/关、开/关或其他二进制状态。它们包括开关、继电器和接触器。
- 模拟控制装置:这些装置用于控制连续变量，如温度、压力或位置。它们包括阀门、电机启动器和可调速驱动器。
其他类型的控制设备，如智能设备，可以是离散的或模拟的，具有微控制器或微处理器，并可以通过网络进行通信。
什么是控制循环?
控制循环是一种反馈机制，用于控制系统或流程的行为。它是控制系统的基本构件，由以下组件组成:
- 过程变量:这是被控制的物理量，如温度、压力或位置。
- 设定值:这是过程变量的期望值，表示控制系统的期望结果。
- 传感器:这是一种测量过程变量并向控制系统提供输入的设备。
- 控制器:这是控制系统中的逻辑设备，它处理来自传感器的输入，并为执行器产生控制信号。
- 执行器:这是控制系统的组成部分，它根据来自控制器的控制信号执行物理任务。
- 反馈:这是将过程变量的实际值与设定值进行比较的过程，并利用该信息调整控制信号，提高控制系统的性能。
控制回路以连续的方式运行，不断监测过程变量，并根据需要进行调整，以确保过程变量保持接近设定值。反馈机制对于控制系统的成功至关重要，因为它允许实时纠正与预期结果的任何偏差，确保过程保持稳定和可控。
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